基于D-S证据理论的岩爆预测方法研究

为了有效预测岩爆,提出基于D-S证据理论的岩爆预测方法.首先,选取与岩爆发生相关的6个指标因素作为证据体,并通过模糊物元框架和正态型隶属度函数构建证据体的基本概率分配.然后,利用K均值将证据体分类,并提出簇内证据用传统方式融合而簇间证据用权重方式融合的组合融合规则,以减轻高冲突证据融合的不利影响.最后,将模型应用在秦岭终南山公路隧道2号竖井工程,且与经验方法对比.为了分析预测过程的不确定性和估计岩爆发生概率,采用蒙特卡洛模拟进行抽样仿真,并通过Spearman秩相关系数衡量输入指标的全局敏感性.研究结果表明:输入指标在不同的岩爆案例的影响程度差异较大且方向不同;5个岩爆案例的发生概率在40.8%~70.1%之间.该模型表现出优异的预测分类性能,可为深埋地下工程岩爆预测提供参考.

加载速率影响下板裂化脆性岩石失稳破坏试验研究

深部脆性岩体开挖常发生板裂破坏,并可能进一步发生片帮剥落、岩爆等工程灾害,严重威胁深埋隧(巷)道施工安全。在深部岩体工程中,受构造应力、开挖条件和工程扰动等因素的影响,岩体开挖后应力重分布的速率、来压快慢均存在差别。为探究加载速率对板裂围岩失稳破坏的影响,采用脆性岩石加工成的板裂试样进行单侧限单轴压缩试验,对不同加载速率下试样宏观破裂、强度特性、声发射(AE)特征以及能量机制进行综合研究。结果表明:(1)低加载速率下试样发生大块剥落,整体失稳并发生分离,高加载速率下试样未发生大块分离,但有小块动力弹射现象;(2)低频、高幅信号的增多及b值的变化表明试样产生了突发式的裂纹失稳扩展,且这个过程中大小尺度破裂不断交替产生;(3)在平稳加载阶段,高加载速率使试样AE活动更加剧烈,而临近失稳及失稳破坏阶段则相反,且低加载速率下低频信号、大尺度破裂事件占比更大。因不同开挖方案、施工方法导致的围岩应力重布快慢差异,在工程上会导致围岩发生板裂后,进一步诱发不同模式破坏。

考虑岩体性质空间变异的岩爆倾向性概率评估

为了探究更为符合工程实际的岩爆倾向性评判方法,对岩爆倾向性及其不确定性问题进行了研究.首先,建立改进的黏结强度弱化-摩擦强度强化模型,结合能量指标实现岩爆倾向性分析;依托埋深超千米的大红山铜矿工程,将点估计-有限元分析应用于岩爆倾向性评判,构建分析模型;进一步求得岩爆倾向性的概率模型,并得到直观的概率分布情况.结果表明:所用本构及指标可较好地进行岩爆倾向性分析,考虑参数变异性后,95%置信度的岩爆深度与现场记录深度吻合度较高,岩爆角度范围也基本吻合,比仅取定值更为准确,验证了所作不确定性分析的可行性与正确性.不同统计指标符合不同的分布函数,岩爆深度、范围角及完全能量释放值的最优分布分别为Normal分布、Gamma分布及Lognormal分布.基于深度及范围角指示,以80%、40%、20%为界限,可将倾向性概率划分为极大、大、中、小四个等级区间,岩爆区域的概率分布图可以更为直观合理地判断出岩爆破坏的区域和概率.研究结果对岩爆支护及风险评估具有参考意义.

高速公路边坡预应力锚索桩板墙结构参数优化与受力特征分析

桩板墙是高速公路滑坡治理中常用的一种支护措施,其结构参数的优化设计是工程施工的研究重点。以云南省红河州建水(个旧)至元阳高速公路工程AK0+560~AK0+660段桩板墙工程为背景,采用数值模拟与灰色关联分析、正交试验设计相结合的方法,研究桩体嵌固长度、桩间距、桩宽3种结构参数的影响与优化,最终验证优化后的结构参数在地震工况下的稳定性。结果表明:桩间距为主要影响因素,桩体嵌固长度和桩宽的关联度相近,为次要影响因素;桩板墙结构参数最优组合为桩体嵌固长度15.0 m、桩间距5.0 m、桩宽3.0 m;地震工况下,抗滑桩悬臂段土压力以及桩身偏移量和沉降差满足规范要求,边坡稳定性较好。

裂隙砂岩应变场演化与超声时移衰减特征研究

微裂纹萌生、扩展和聚结模式的识别是研究岩体灾害孕育演化过程的基础。为探究裂隙岩石微裂纹发育过程及机制,采用主动超声测量和数字图像相关(digitalimagecorrelation,简称DIC)技术同步监测单轴压缩下预制裂隙砂岩的损伤破裂过程,分析了表面应变场演化及超声衰减特征。结果表明:小倾角预制裂隙尖端的局部拉应力集中利于裂纹更早萌生;随裂隙倾角增加,预制裂隙试样由较为稳定的渐进性破裂转变为突发性破坏,其脆性特征也更明显,表面应变场可实时追踪裂纹的萌生和扩展。P波波速、振幅谱和超声振幅的衰减与微裂纹的发育和宏观裂纹的形成密切相关,可将超声波主频的明显衰减视为宏观裂纹形成的直接证据;不同射线路径P波速度及振幅衰减的差异,是轴向应力和预制裂隙诱导损伤累积各向异性的结果。此外,采用改进谱比法分析了超声衰减的时移特征,发现超声波衰减比P波波速对岩石介质中微裂纹的发育更敏感,进一步对比发现超声振幅、表面应变、P波波速对岩石损伤识别的敏感性依次降低。该研究结果表明,主动超声衰减和DIC表面应变同步监测是识别和量化岩石损伤和裂纹扩展先兆信息的有力工具。

岩体暴露面图像中裂隙全自动提取方法研究

裂隙显著影响岩体物理与力学性质,针对从岩体暴露面图像中自动提取裂隙存在的提取结果不完整、信噪比低,以及提取方法经验参数多、鲁棒性差等问题,提出一种全自动裂隙提取优化程序。首先,通过引入广义伽马校正初步提升裂隙与岩壁面对比度;其次,考虑裂隙路径像素间相互影响,设计灰度传递算法提升裂隙连续性;最后,通过改进Frangi滤波器提取裂隙并充分抑制噪音像素响应。结果表明:该程序充分融合了裂隙低灰度和高线型两大特征,图像增强与裂隙提取两阶段协同运作,显著改善了裂隙对比度不均问题,在较完整提取裂隙的同时还能够有效防止噪音与伪裂隙的产生,对多种岩体暴露面图像均具有很高的鲁棒性。将该方法与常用的裂隙识别算法进行比较,展现了该算法流程在处理低对比度、高噪声岩体裂隙图像方面的显著优势。

等效岩体技术在岩体工程中的应用

以某露天矿边坡为工程背景,结合岩石力学参数室内和现场原位试验,基于颗粒流理论和PFC3D程序,运用等效岩体技术,建立充分反映节理分布特征并考虑细观破裂效应的等效岩体模型,采用Fish语言编制加卸载命令流,研究岩体的强度和力学效应。研究结果表明:(1)等效岩体在单轴压缩时,轴向应力–应变曲线分为弹性变形阶段、非稳定破裂塑性阶段和破裂后阶段,抗压强度和弹性模量与标准岩块试样相比,有较大幅度降低;(2)随围压增大,等效岩体抗压强度和残余强度明显提高,延性特征增强,逐渐向理想塑性过渡;(3)等效岩体技术能有效地描述岩体受节理分布影响而表现的各向异性特征;(4)等效岩体内部微裂纹主要沿节理走向分布并扩展,破坏形式受主导节理面产状及性质控制。

基于广义Hoek-Brown准则的隧道纵向变形曲线研究

纵向变形曲线是隧道开挖面空间约束效应的直观反映,多数纵向变形曲线的研究并未考虑围岩质量和应力水平的影响。基于广义Hoek-Brown准则,采用有限差分法,提出了能够量化不同围岩质量及应力水平下开挖面空间效应差异的纵向变形曲线函数表达式,可以简便地得到不同地质条件下的隧道纵向变形曲线,通过误差分析及与已有研究成果对比,验证了该方法的合理性与普适性。研究结果表明:围岩基本质量指标值相同时,围岩纵向变形曲线随着埋深增加变得更加平缓,即围岩应力及位移的释放过程越缓慢,埋深相同时,随着围岩基本质量指标值的降低,围岩纵向变形曲线显示出同样的趋势,相对于开挖面前方,开挖面后方纵向变形曲线的这种特点更加明显;开挖面处纵向变形也是围岩质量与应力水平的函数,最大值不超过隧道径向变形最终值的30%。

基于广义Hoek-Brown准则的边坡稳定性强度折减法数值分析

Hoek-Brown屈服准则作为估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则,已成为岩体强度预测及计算领域应用最广泛的准则之一,并在边坡极限平衡法计算中得到了广泛应用,但很少应用于数值模拟计算领域。本文结合工程实例,以广义Hoek-Brown屈服准则建立数值计算模型,并基于强度折减方法计算边坡安全系数,经与等效Mohr-Coulomb屈服准则数值模拟及极限平衡计算对比,得出基于Hoek-Brown屈服准则的模拟计算结果与其它方法一致并且正确的结论。并认为不同屈服准则条件下的边坡潜在滑移面位置及变形特点存在差异,原因在于不同的屈服准则采用了不同的流动法则。与Mohr-Coulomb屈服准则相比,Hoek-Brown屈服准则采用基于应力水平的塑性流动法则更加体现了节理岩体的变形和破坏特点,可有效反映岩体的非线性破坏特征,更加接近工程实际,适于节理岩体的强度计算及稳定性分析。

卸载岩爆试验及PFC^(3D)数值模拟研究

以张家口—石家庄高速公路隧道岩爆灾害为工程背景,进行室内卸载岩爆试验;并基于颗粒流法和PFC3D程序,采用内置Fish语言编制加卸载命令流,进行卸载岩爆试验数值模拟,得出不同应力状态下的岩样细观破裂现象与过程,可有效地判别与验证岩爆的产生。研究结果表明:(1)研究区域灰质白云岩的岩爆类型为瞬时岩爆,岩爆烈度等级为IV级;岩爆发生时试件端部全面崩垮,试件卸载面中部片状剥离并伴随颗粒混合弹射。(2)根据应力环境的变化,卸载岩爆试验的进程可分为平静期、局部颗粒弹射期、发展期及最终爆发期等4种状态。(3)瞬时岩爆发生时的颗粒黏结破裂机制以张拉型破裂为主、剪切型破裂为辅。(4)模拟卸载岩爆发生时的荷载等级、试件应力–计算时步曲线、破坏形式等均与室内试验结果较为吻合,表明PFC3D数值模拟方法可部分代替室内卸载岩爆试验,大幅降低试验费用,是岩爆试验研究中的一种新的有效途径。

失稳高陡路堑边坡桩锚加固方案分析

根据洛三(洛阳至三门峡)高速公路K97+900～K98+500路段高陡路堑边坡失稳的具体情况,针对边坡滑塌特点,提出以微型抗滑桩代替传统抗滑桩、滑面及滑体压力注浆改性的主动加固方式,以增强滑塌岩土体的自稳能力,据此设计了预应力锚杆、微型抗滑桩、挡土墙、挂网喷射混凝土及中高压注浆的综合处治方案。在分析各种加固结构不同属性的基础上,采用快速拉格朗日有限差分数值模拟方法,对加固后的滑塌路堑边坡整体稳定性以及加固结构的承载性能进行了模拟对比分析。计算结果及工程应用均表明,多种加固结构组成有机整体,失稳滑体得到有效控制且边坡稳定性得到有效提高。

基于遍布节理模型的边坡稳定性强度折减法分析

采用非线性数值分析方法分析边坡稳定性问题时,强度折减法因其具有较多的优点而得到广泛应用。岩土体一般采用理想弹塑性模型,屈服准则为广义米赛斯准则。对于密集节理岩质边坡稳定性问题,采用遍布节理模型可同时考虑岩块和节理属性,更符合岩体状态及工程实际,认为岩体经强度折减后潜在破坏可能首先出现在岩体中或沿节理面或二者同时破坏。结合工程实例,基于遍布节理模型的强度折减法计算结果表明,潜在滑移面为折线型滑面,下部潜在滑移面倾角与节理面等效内摩擦角基本一致,上部潜在滑移面与岩体拉破坏相关;节理倾角与边坡安全系数、潜在滑动范围密切相关,陡倾角节理对边坡稳定性影响较小。通过对边坡失稳判据和边坡滑移面确定的探讨,认为以力或位移不收敛作为边坡失稳判据是适当的,而边坡的剪应变速率物理意义十分明确,适于作为边坡潜在滑移面的确定依据。

袖阀管注浆技术改性土体研究及效果评价

注浆技术作为一种有效的岩土工程施工方法,理论研究远落后于工程应用。在简要分析袖阀管注浆原理及注浆机制类型的基础上,采用岩土颗粒流程序,从微观上模拟了单孔条件下不同注浆压力对土体改性效果的影响,认为随注浆压力的提高,土体出现显著的压密效应,拉应力增加且范围扩大,并产生劈裂注浆效应,尤其是注浆孔周围土体,空间置换率较大;同时模拟了多孔状态下浆液扩散、土体压密及劈裂效应产生的过程,认为对于土体改性存在一合理的注浆压力,浆液挤压土体并在土体中产生劈裂缝,在多孔之间贯通、交叉,形成网状浆脉,土体得到整体改性。模拟结果与现场注浆试验取得了较为一致的结果,土体改性效果良好。

基于正交试验的露天矿高陡边坡落石随机预测

随着工程建设的发展,边坡尤其是高陡岩质边坡工程,落石灾害已成为仅次于边坡稳定性的研究课题之一。结合白云鄂博铁矿东矿边坡落石问题,对落石产生的影响因素、落石运动轨迹及落石与坡面的相互作用进行力学分析;采用基于正交试验的反分析方法,认为影响落石最大水平运动距离的主要因素为落石法向和切向恢复系数,并确定相关的落石分析参数;采用概率方法对工程实例的深部开采边坡落石问题进行预测,并按照落石落点空间位置及其动能分布,设计拦截网防护措施的高度及强度。落石参数的正交试验确定方法及基于概率分析的落石预测分析思路等,对于高陡岩质边坡落石灾害分析及防护措施确定具有推广和应用价值。

基于颗粒元模拟的含软弱夹层类土质边坡变形破坏过程分析

采用基于离散单元法的颗粒元程序,引用平行连接模型,通过数值试验,确定土体细观参数与宏观力学性质的关系,并据此建立含软弱夹层的类土质边坡模型。通过路堑开挖卸荷过程模拟,再现了大变形条件下坡体渐进性破坏的完整过程,并对裂隙的发展演化过程进行实时监测。模拟结果显示,含软弱夹层类土质边坡的破坏过程历经裂隙的形成、扩大、发展直至贯通,最终发生大规模滑移破坏;裂隙从滑坡体前缘和软弱层面开始,范围逐步扩大,呈现典型的类土质边坡的渐进性破坏形式;滑坡发生后,土体结构破坏严重,承载能力大幅下降。边坡滑移过程模拟和最终滑移结果与现场滑坡状况完全吻合,表明该方法适用于类土质边坡变形破坏过程分析及其机理研究。

复合锚杆桩在基础加固中的应用

根据某桥墩基础承载力下降的具体情况,采用单孔复合锚杆桩技术,对桥墩基础进行了加固,并对单孔复合锚杆桩的加固机理进行了初步研究.利用数值模拟方法,对加固后桥墩基础的承载能力以及加固结构的承载性能进行了比较系统地分析.结果表明:利用单孔复合锚杆桩技术加固后的桥墩基础,其承载力有较大幅度地提高,在600kN/m的桥墩载荷作用下,加固结构和周围的岩体在垂直方向上的位移变形值不足2mm,而且基本上保持着同步变形同步稳定的理想状态,达到了设计目的.

等效岩体随机节理三维网络模型构建方法研究

由于目前仍难以将建立的结构面网络模型直接应用于岩体力学行为的分析,构建反映节理真实空间状态的等效岩体模型是岩体工程稳定性分析与计算的研究基础。以内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,通过现场节理测线法调查,运用概率统计理论对节理倾向、倾角、间距和迹长进行统计分析、偏差校正并建立概率分布模型。在此基础上,根据Monte Carlo随机模拟理论并采用Matlab软件,获取节理模拟数据,并通过OPEN GL三维可视化技术构建能充分反映工程岩体节理分布特征的等效岩体随机节理三维网络模型,模拟结果与实测数据具有良好的统计相似性。该研究成果可为等效岩体技术所利用,并为后续开展节理岩体变形特性、强度特性、尺寸效应、各向异性、表征单元体积(REV)、关键块体识别、开挖效应、破裂机理等量化分析研究奠定基础。

失稳加筋土挡土墙加固方案及技术评价

加筋土挡土墙是国内外广泛采用的挡土墙建设技术。由于交通荷载的急剧增加和该类挡土墙的固有缺陷,国内有多处加筋土挡土墙产生变形甚至倒塌。以山东省荷泽市人民路立交桥加筋土挡土墙失稳为例,对其失稳的内在根源和力学机制进行分析。通过多种加固方案对比,确定以压力注浆、双向斜拉预应力锚固、挂网喷射混凝土等技术为主的综合加固治理方案;运用数值模拟层次分析方法,分别对实施不同技术措施所产生的加固效果进行分析。研究结果表明,斜拉预应力锚杆抑制失稳加筋土挡土墙上部的纵向开裂和墙趾剪切破坏带的塑性滑移,并提供较高的抗拉强度、刚度和较快的增阻速度;混凝土喷层使墙面弧形外鼓得到约束。经现场实施综合加固方案,监测结果显示加固工程取得预期效果,表明该技术方案对类似问题具有推广应用价值。

车辆荷载下路基挡土结构失稳机理数值模拟

随着公路交通流量增加及超载车辆增多,路基挡土结构变形或失稳现象时有发生。结合山东省荷泽市人民路公铁立交桥加筋土挡土墙失稳问题,在分析车辆动载效应的基础上采用FLAC有限差分方法对车辆动荷载下路基挡土结构失稳机理和变形破坏过程进行详细分析,认为路面动载荷对墙体的作用过程与时间及空间位置有关,筋体变形叠加及破坏导致墙体失稳,挡土结构变形破坏内在机理包括墙体上部的劈裂张开和中下部的共轭剪切体水平方向挤出。同时,对不同高度挡土结构失稳形式、非对称动载荷条件下挡土结构的失稳特点进行了全面分析。基于动载荷的特点及挡土墙墙体和筋体的缺陷,认为失稳加筋土挡土墙的加固必须同时考虑控制变形破坏和增加土体强度的措施,实现内外结合、点面兼顾的综合治理。所得结论为类似失稳路基挡土结构加固方案和综合治理措施的确立奠定科学基础。

岩体破裂矩张量反演方法及其应用

地震及岩体失稳破裂过程中,破裂机制、震源参数及破裂能量等信息均可通过矩张量方法求解,文中详细介绍了矩张量基本理论,对比分析了绝对矩张量反演法、相对矩张量反演法、混合型矩张量反演法等3种常用方法的优缺点。在详细归纳、总结国内外相关文献的基础上,就水压致裂、采矿及深埋隧道等工程领域综述了矩张量反演理论在岩体工程中的应用现状,并结合其在德国黑林根矿区微震事件震源机制分析中的应用实例,表明通过矩张量反演获取的震源机制解及震源参数等信息,在岩体工程灾害预警及防治、水压致裂过程监测和控制等领域具有重要作用。最后分析了影响矩张量反演精度的因素及应用于岩体工程领域时存在的不足,包括定位精度低、波形识别及处理困难等问题,并对其在采矿、石油等岩体工程领域的应用前景、改进措施及需进一步研究的问题等进行了探讨,为矩张量反演方法的推广应用提供重要的参考。